CN205749044U

CN205749044U - 一种适用于寒区土壤内气体取样装置

Info

Publication number: CN205749044U
Application number: CN201620495955.3U
Authority: CN
Inventors: 王俊峰; 吴青柏; 游艳辉; 刘亚丽
Original assignee: Cold and Arid Regions Environmental and Engineering Research Institute of CAS
Current assignee: Cold and Arid Regions Environmental and Engineering Research Institute of CAS
Priority date: 2016-05-29
Filing date: 2016-05-29
Publication date: 2016-11-30
Anticipated expiration: 2026-05-29

Abstract

本实用新型公开了一种用于寒区土壤内气体取样装置，其结构特征上是中空气体收集腔体为双层圆柱形筒体，筒体内外壁均匀开设有通气孔，筒体底部和顶部密封；半透膜位于双层圆柱形筒体中间，中空气体收集腔体与抽气管紧密连接，抽气管下端穿过中空气体收集腔体顶部深入腔体内部中间部位，抽气管上端与四通阀门连接；四通阀门的左右两端各连接一只气囊，四通阀门剩余一个端口连接直通阀，直通阀的端口设有硅胶塞，注射器插入硅胶塞中。本装置易于安装、制作成本低廉、设计合理，可广泛用于农田、垃圾填埋场、草地以及冻土区等土壤内气体排放的采集监测。

Description

一种适用于寒区土壤内气体取样装置

技术领域

本实用新型涉及一种土壤环境研究监测辅助设备，具体涉及一种适用于寒区土壤温室气体排放采样装置。

背景技术

近年来，寒区土壤温室气体（CO₂、CH₄、N₂O等）排放已成为极地生态环境研究的热点。对于极地广泛存在的多年冻土，全球气候变暖和冻融格局变化将导致土体的温室气体排放过程发生根本改变，向大气释放大量的CO₂、CH₄和N₂O等温室气体，增强气候变暖的趋势，形成对气候变化的正反馈效应。因此，在冻土区土体冻融过程中，准确地采集土壤气体样品是研究全球气候变暖和冻融格局改变对土壤温室气体排放的影响及其作用机理的前提。然而，鉴于寒区恶劣的气候环境和表层土体特有的冻融过程，使得以往常规土壤气体收集方法（预埋采样瓶法、直插取气管法等）难以发挥有效作用。以往常规土壤气体收集装置易受到土体冻融作用而破坏，在土体融化季节因毛细管堵塞、水分聚集而难以收集到土壤气体，从而导致这类土壤气体取样装置失效。

目前，适用于常规地区的土壤气体取样装置类型繁多，并有相关专利申请，例如：

中国专利（申请号为201410607680.3）公开了一种“防污染土壤气体取样装置”，其实质主要是通过将顶端带有毛细孔的中空钻杆打入土壤预定深度，然后再利用软管对土壤气体进行采样。该装置的毛细管在钻杆打入土体过程中很容易堵塞，且在水位较高或土体水分含量较高情况下水分容易进入钻杆内部，导致难以收集到土壤气体；再则，在寒区土体冻融过程中，该装置容易受到冻拔作用的影响，导致土壤气体取样位置与预定深度产生偏差。因此，该装置只适用于地下水位较低、砂质土壤、且不存在冻融作用的常规地区的土壤气体采集，对于寒区土壤气体取样，该装置难以发挥有效作用。

还有，申请号为201410676771.2的专利公开了一种“土壤气体取样系统”，其实质是将多根带有微孔的气体采集管分别水平埋入土壤不同深度，然后再通过导气管对每根采集管中的气体进行采集。该装置在预埋采集管的过程中需要开挖土壤剖面，然后再将采集管水平插入不同深度土壤中。在土壤剖面开挖过程中，土体受到强烈扰动；且气体采集管水平插入土中时，采集管上的微孔容易堵塞。再者，在土体水位较高或土壤水分下渗过程中，采集管中容易积水而导致难以收集到土壤气体。因此，该装置用于土壤气体的采集，安装布设麻烦、对土壤扰动大，导致气样采集结果失真；而且，受地下水位和土壤水分下渗的影响，采集管中容易积水，导致难以收集到土壤气体。因此，该装置比较适用于非饱和砂质土壤地区，因此，该装置难以实现寒区土壤气体样品的采集。

再如，申请号为201110159118.5的专利公开了“一种缓冲式土壤气体取样装置”，其实质是将用于测定CO₂、CH₄和N₂O等温室气体通量的静态箱增设气囊后改进而成，该装置虽然较好地解决了现有土壤气体取样装置因缺乏缓冲气压结构而易造成箱体正向或反向漏气及土壤气体释放易受箱体内存气压抑制的缺陷，但该装置只能用于测定地表土壤气体的总排放通量，无法采集土壤内部不同层次的土壤气体。因此，对于实现寒区不同深度土壤气体的采集分析，该装置无法满足要求。

因此，在寒区土壤温室气体排放研究中，设计出一种能够克服土体冻融作用影响、具有水-气分离功能的土壤气体收集装置，对于深刻理解寒区土壤碳排放过程和作用机制、提高研究水平具有十分重要的意义。

发明内容

鉴于上述，本实用新型的目的在于提供一种适用于寒区土壤内气体取样装置，克服土体冻融作用导致气体取样装置积水、进气孔易堵塞以及由于箱体正向或反向漏气及土壤气体释放易受箱体内存气压抑制等弊端，确保被测土体位置所取气样的测量结果更接近真实值。

本实用新型的目的通过以下技术方案来实现：

一种适用于寒区土壤内气体取样装置，该装置由中空气体收集腔体、半透膜、抽气管、气囊、四通阀门、直通阀门、硅胶塞和注射器组成。其中，中空气体收集腔体由有机玻璃、PVC或不锈钢等材料做成的双层圆柱形筒体，筒体内外壁均匀开设有通气孔，筒体底部和顶部密封；半透膜位于双层圆柱形筒体中间，中空气体收集腔体与抽气管紧密连接，抽气管下端穿过中空气体收集腔体顶部深入腔体内部中间部位，抽气管上端与四通阀门连接；四通阀门的左右两端各连接一只气囊，四通阀门（5）另一个端口连接直通阀门，直通阀门的端口设有硅胶塞，注射器插入硅胶塞中。

本实用新型的原理是：

将土壤气体收集箱体做成双层圆柱状结构，内外层圆柱体侧面均匀开设较大孔径的气孔通道，两圆柱体中间夹层设置半透膜（在气体浓度差驱动下只允许气体分子透过，而隔绝水分子进入），从而解决在土体冻融过程和装置埋设过程中避免气体收集腔体积水和气孔通道堵塞等问题；气体收集箱体的两圆柱体上下两端均密封，只在顶端开设一个导气孔通过软管引致地表，以便于气样的抽取。为避免土壤气体取样腔体因缺乏缓冲气压结构而造成土壤气体释放受腔体内存气压抑制的缺陷，通过在地面以上导气管上增设气囊调节土壤内部气体取样腔体内的气体气压：当土壤内部气体释放致使腔体内气压升高时，气囊向外膨胀以使腔体内、外气压保持平衡；当抽取气样使腔体内气压逐步减小时，气囊随之收缩，以使腔体内、外气压仍然保持平衡。同时，通过观察气囊的膨胀状态，判断腔体内部气压的大小和收集土壤气体的多少。

本实用新型的优点是：

本实用新型提供了一种适用于寒区土壤内气体取样装置，该装置中空气体收集腔体的双层圆柱形筒体中间采用了半透膜结构，只允许土壤气体透过而阻止水汽通过，避免了土壤在冻融过程和降水下渗过程中气体收集腔体容易积水的弊端；双层圆柱形腔体上开设的导气通道孔径较大，可有效避免进气孔堵塞而导致取气失败；同时，抽气管上安装的气囊可有效平衡腔体内外土壤的气压，克服了土壤气体释放过程受到抑制的难题，保证了装置在整个土壤气体收集、取样过程中气体样品的质量，确保腔体内被测气体浓度与所测土壤深度的气体浓度相符，提高土壤气体排放监测结果的可靠性；该装置可以通过土钻埋置于不同土壤深度，对样地和土层扰动小、气体取样一致性好，确保所测数据的真实性和准确性，可以实现土壤气体监测定点、长期连续观测。

附图说明

图1为本实用新型示意图。

图1中，1—中空气体收集腔体；2—透气孔；3—抽气管；4—气囊；5—四通阀门；6—直通阀门；7—硅胶塞；8—注射器；9—半透膜。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本实用新型的技术方案作进一步说明：

一种适用于寒区土壤内气体取样装置，该装置由中空气体收集腔体1、半透膜9、抽气管3、气囊4、四通阀门5、直通阀门6、硅胶塞7和注射器8组成。其中，中空气体收集腔体1是由有机玻璃、PVC或不锈钢等材料做成的双层圆柱形筒体，筒体内外壁均匀开设有通气孔2，筒体底部和顶部密封；半透膜9位于双层圆柱形筒体中间，具有只允许气体分子透过而阻止水汽通过的性能、土壤中的气体在浓度梯度或压力差作用下透过半透膜9进入腔体内部；中空气体收集腔体1与抽气管3紧密连接，抽气管3下端穿过中空气体收集腔体1顶部深入腔体内部中间部位，抽气管3上端与四通阀门5连接；四通阀门5的左右两端各连接一只气囊4，气囊是由不透气、质地轻薄柔然且伸缩性良好的橡胶、聚氨酯或乳胶制备而成膜囊。四通阀门5剩余一个端口连接直通阀门6；直通阀门6用于使用注射器8抽取气体时抽气管3的启闭，抽气管3的材料可为不锈钢、橡胶或聚四氟乙烯；硅胶塞7置于直通阀门6的端口，起进一步密闭抽气管3的作用；注射器8插入硅胶塞7中，抽取腔体内的气体。

对于寒区土壤温室气体的排放研究，通常需要采集2米甚至更深范围内的土壤气体，且由于冻融过程中融化锋面处土壤常常过饱和且水分聚集。在抽取土壤气体之前，用土钻挖取钻孔将中空气体收集腔体1置于预定深度，将抽气管3引至地面，然后分层将取出的土壤回填压实；随着土壤中的气体逐渐进入中空气体收集腔体1，腔体内的气体浓度增加、气压升高，从而使附于抽气管3左右两侧的气囊4膨胀。气囊4的最大膨胀体积大于等于现场监测试验连续4次每次50毫升的气样体积。根据试验计划设定的时间间隔用注射器8抽取中空气体收集腔体1气样。中空气体收集腔体1内的气压降低，气囊4也随之收缩以保持中空气体收集腔体1内的气压平衡。用气相色谱仪对抽取的气样的温室气体（CO₂、CH₄、N₂O）浓度进行分析，计算相应土壤温室气体的排放通量。

Claims

1.一种适用于寒区土壤内气体取样装置，该装置由中空气体收集腔体（1）、半透膜（9）、抽气管（3）、气囊（4）、四通阀门（5）、直通阀门（6）、硅胶塞（7）和注射器（8）组成，其特征是中空气体收集腔体（1）由有机玻璃、PVC或不锈钢材料做成的双层圆柱形筒体，筒体内外壁均匀开设有通气孔（2），筒体底部和顶部密封；半透膜（9）位于双层圆柱形筒体中间，中空气体收集腔体（1）与抽气管（3）紧密连接，抽气管（3）下端穿过中空气体收集腔体（1）顶部深入腔体内部中间部位，抽气管（3）上端与四通阀门（5）连接；四通阀门（5）的左右两端各连接一只气囊（4），四通阀门（5）另一个端口连接直通阀门（6），直通阀门（6）的端口设有硅胶塞（7），注射器（8）插入硅胶塞（7）中。